基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃富達(dá)，陳松琪，陶志霖，韋樹貢，張宗謀，楊子靖，陸秀萍，鄭淑文

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 引言

目前，地面監(jiān)測(cè)站和遙感技術(shù)結(jié)合的墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)外有應(yīng)用，但我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍存在一定差距，很多農(nóng)業(yè)大棚只是處于試驗(yàn)階段，技術(shù)方面還存在漏洞。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，但就目前來說，還不是一個(gè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)，這就需要我們通過更多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供為農(nóng)作物創(chuàng)造更好的生長(zhǎng)環(huán)境，讓農(nóng)民們希望農(nóng)作物增產(chǎn)增收的愿望成為現(xiàn)實(shí)。

然而隨著社會(huì)不斷發(fā)展，科技水平的逐步提升，人口數(shù)量也在不停增長(zhǎng)，對(duì)農(nóng)業(yè)的需求也越來越大。我國(guó)地域遼闊，地形復(fù)雜，種植區(qū)域一般為偏遠(yuǎn)地區(qū)，很多環(huán)境對(duì)于智能設(shè)備的使用帶來了很大的制約，傳統(tǒng)的農(nóng)作物生產(chǎn)方式有較大的弊端，容易受自然天氣的影響，效率較低，容易造成農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯緩，給種植農(nóng)作物的人們帶來巨大困擾。為了解決這一問題，設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。本文主要采用了物聯(lián)網(wǎng)、傳感器以及嵌入式技術(shù)等將獲取到的農(nóng)作物生長(zhǎng)信息上傳到云端，用戶可以通過手機(jī)、電腦登錄農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物信息，改進(jìn)農(nóng)業(yè)種植條件，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的增產(chǎn)增收。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)雖然是一個(gè)全新的概念，但其并沒有離開我國(guó)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過我國(guó)多種海量傳感儀器采集的多個(gè)信息數(shù)據(jù)內(nèi)容，最終利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完美融合，可以及時(shí)準(zhǔn)確地將多個(gè)信息傳輸?shù)綄?shí)際管理中心，從而滿足不同用戶的實(shí)際需求[1]。

本系統(tǒng)主要由STM32 主控芯片、傳感器設(shè)備、上位機(jī)、攝像頭模塊、服務(wù)端五部分組成。通過傳感器采集土壤溫濕度以及二氧化碳濃度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等方面的情況，接著搭建好網(wǎng)站，并在農(nóng)作物生長(zhǎng)的地方安裝攝像頭將傳感器采集到的相關(guān)信息上傳到騰訊云小程序，用戶可以根據(jù)手機(jī)APP、電腦等獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，手動(dòng)控制增加光照強(qiáng)度或者增減雨量。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 主控模塊

本系統(tǒng)主要采用STM32F103 作為主控模塊，擁有ARM Cortex32位微控制器，48 路LQFP 封裝，是ST 公司微控制器中的STM32 系列。 STM32F103C8T6 整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致可以分為由ARM 公司設(shè)計(jì)的Cortex-M3 內(nèi)核和ST 公司在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化的總線矩陣、DMA（Direct Memory Access，直接內(nèi)存讀取器），還有AHB、APB1 以及APB2上掛載的外設(shè)等兩個(gè)部分。采用高密度性能傳輸，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)處理系統(tǒng)獲取到的數(shù)據(jù)，使用單片機(jī)自身的串口USART 連接傳感器，獲取大氣、土壤的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉功能并發(fā)送到氣象數(shù)據(jù)記錄儀。

■2.2 土壤溫濕度模塊

該模塊主要由兩個(gè)傳感器組成，分別是土壤水分傳感器、土壤濕度傳感器，用來獲取農(nóng)作物所處的土壤環(huán)境信息，采集土壤的溫濕度。使用YL-69 土壤濕度傳感器，其是四線制的，中間有兩根線，其中AO 用來讀取實(shí)時(shí)濕度數(shù)據(jù)，D0 不連接，由于A0 輸出的是模擬量，單片機(jī)只能讀取數(shù)字量，所以需要通過ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換），連接單片機(jī)上的PA1 引腳，用來處理模擬數(shù)據(jù)。該模塊主要由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成，可以長(zhǎng)期埋藏在土壤里面，只要將其插在土壤里，就可采集到土壤的濕度信息，該模塊在本系統(tǒng)中主要用于農(nóng)業(yè)環(huán)境土壤墑情監(jiān)測(cè)。

■2.3 溫濕度傳感器

采用的是DHT11 溫濕度傳感器，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合型傳感器，采用專門的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，能夠采集到環(huán)境中的溫濕度，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中較為廣泛，并且具有成本低廉，體積小、容易操作等特點(diǎn)。含有4個(gè)引腳，VCC、GND 分別接電源以及接地，I/O口為數(shù)據(jù)線，該接口主要獲取數(shù)據(jù)信息。在本系統(tǒng)中溫濕度傳感器用于采集大氣中的溫濕度，將采集到的數(shù)據(jù)打印輸出到OLED 顯示屏上以及顯示在騰訊云、華為云平臺(tái)，以便用戶感知外界溫濕度。

■2.4 攝像頭模塊

采用Maixpy3 模塊，其是一款基于linux cpython的Python3 軟件開發(fā)工具包（SDK），借助開源 Python 編程語言實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)統(tǒng)一和簡(jiǎn)化 Linux 嵌入式設(shè)備上開發(fā) AIoT（人工智能物聯(lián)網(wǎng)） = AI（人工智能） + IoT（物聯(lián)網(wǎng)）應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)攝像頭，覆蓋面廣，主要用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中能夠起到實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控農(nóng)作物信息以及安全防盜監(jiān)控，便于管理人員能夠第一時(shí)間了解生產(chǎn)過程中的每時(shí)每刻的狀況。

■2.5 ASR01 語音模塊

該模塊采用ASR01 系列，具有10m 超遠(yuǎn)距離喚醒的特點(diǎn)，擁有98%的超高識(shí)別率。使用串口通信的方式向主控芯片STM32 芯片發(fā)送獲取到的數(shù)據(jù)，與單片機(jī)相結(jié)合來使用，連接RX-TX 引腳即可實(shí)現(xiàn)雙向通信，使用范圍廣泛，更改不同的提示關(guān)鍵詞，用戶可以準(zhǔn)確地獲取到實(shí)時(shí)信息。本系統(tǒng)通過語音播報(bào)模塊提示用戶傳感器所獲取到的信息，當(dāng)采集到的溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照值等超過一定的閾值，語音播報(bào)模塊提示用戶注意，是否有需要改善作物的生長(zhǎng)條件。

■2.6 光照傳感器

使用BH1750(GY-30)光照傳感器，其是采用了ROHMBH1750FVI 芯片的感光模塊，通過數(shù)字輸出測(cè)量光照度，其檢測(cè)范圍在0~65535 勒克斯，誤差變動(dòng)較小，提高了系統(tǒng)測(cè)量光照值的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)中將傳感器采集到的光照值通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳到云端，以便用戶隨時(shí)查看。

■2.7 風(fēng)速傳感器

RS485 風(fēng)向傳感器，采用Modbus 協(xié)議，具有體積輕巧、抗氧化、耐腐蝕的特點(diǎn)，使用范圍極其廣泛，主要應(yīng)用在氣象站、海洋、環(huán)境、各個(gè)機(jī)場(chǎng)、港口、工農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室及交通等領(lǐng)域，用于測(cè)量環(huán)境風(fēng)速與風(fēng)向，在本系統(tǒng)中采用此模塊主要是監(jiān)測(cè)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速、風(fēng)向狀況，以便用戶根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)條件進(jìn)行調(diào)整，改善農(nóng)作物的生長(zhǎng)方式。

整體硬件電路圖如圖2所示。

圖2 整體硬件電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用手機(jī)APP、小程序客戶端來協(xié)助用戶遠(yuǎn)程控制作物信息，使其成為本設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)對(duì)自然環(huán)境信息進(jìn)行全方面監(jiān)測(cè)，方便更好地采集到太陽能輻射、二氧化碳濃度等方面的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，接著傳送到騰訊云中心服務(wù)器。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)該系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)USB/RS485 通訊接口，與測(cè)量中心PC 機(jī)進(jìn)行有線連接，然后利用GPRS/NB/LTE 與其進(jìn)行無線傳送，使用TCP/IP協(xié)議利用LAN、WiFi、GPRS 等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)津v訊云計(jì)算分析終端，以便于用戶在登錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就可以實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)區(qū)域的歷史數(shù)據(jù)信息。

■3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序主要分為兩部分：第一部分是氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，第二部分為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件程序采用C 語言進(jìn)行結(jié)構(gòu)編程。

(1)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在使用的農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)采集終端程序中提前設(shè)置好采集周期，接著采集各傳感器獲取到的溫度和濕度以及雨量開關(guān)信號(hào)等數(shù)字信號(hào)，采用多種傳感器組合采集環(huán)境參數(shù)，程序主要流程為：先給系統(tǒng)進(jìn)行上電使能初始化，接著對(duì)所使用的端口進(jìn)行初始化，定義計(jì)數(shù)周期，按預(yù)設(shè)好的請(qǐng)求指令對(duì)所用端口進(jìn)行判斷，觀察是否出現(xiàn)異常，把反饋接收到的信息先存儲(chǔ)，再通過指令請(qǐng)求傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)；開始判斷信號(hào)請(qǐng)求指令是否開始執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序，初始化傳感器后開始采集數(shù)據(jù)，通過A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否轉(zhuǎn)換完成，通過I2C 協(xié)議對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以及進(jìn)行24 小時(shí)制的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。將采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)參數(shù)存儲(chǔ)到八進(jìn)制位的數(shù)組中，通過USB/RS485 通訊把數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。結(jié)束返回。

(2)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。主要程序?yàn)椋合到y(tǒng)上電初始化，定義計(jì)數(shù)周期，判斷端口是否異常，反饋數(shù)據(jù)并顯示，判斷請(qǐng)求指令是否開始接收數(shù)據(jù)，通過RS485 協(xié)議轉(zhuǎn)換接收傳輸?shù)臄?shù)組數(shù)據(jù)，判斷接收到的數(shù)組數(shù)據(jù)是否正常，反饋異常數(shù)據(jù)，通過判斷數(shù)組數(shù)值轉(zhuǎn)換不同環(huán)境參數(shù)數(shù)值并存儲(chǔ)到參數(shù)變量中，再通過串口通信UART 連接通信模塊，發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)指令判斷連接是否正常，正常則將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，異常則反饋異常信號(hào)到云端。結(jié)束返回。程序流程圖如圖3、圖4所示。

圖3 氣象數(shù)據(jù)采集流程圖

圖4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)流程圖

■3.2 騰訊云小程序設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)好的服務(wù)器中登錄小程序。使用者可以先注冊(cè)賬號(hào)，接著完成實(shí)名認(rèn)證，接下來即可進(jìn)入平臺(tái)，如已注冊(cè)，則可以直接登錄；若沒有注冊(cè)而直接登錄，將會(huì)有“您未注冊(cè)賬號(hào)，請(qǐng)先注冊(cè)”的提示。成功進(jìn)入平臺(tái)后先創(chuàng)建屬于自己的產(chǎn)品，配置相關(guān)參數(shù)，添加屬性與命令，接著下發(fā)我們?cè)O(shè)計(jì)好的MCU 代碼指令“AT+NRB”，激活設(shè)備；輸入“AT+NMGS”開始上報(bào)數(shù)據(jù)，若上報(bào)數(shù)據(jù)成功，將會(huì)有“上報(bào)數(shù)據(jù)成功”的提示信息，接著即可查看相關(guān)數(shù)據(jù)；若上報(bào)數(shù)據(jù)不成功，將會(huì)打印輸出“上報(bào)數(shù)據(jù)失敗”。串口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)MCU 發(fā)送指令如圖5所示。

圖5 使用沁恒串口工具監(jiān)測(cè)MCU 發(fā)送AT的指令窗口

4 系統(tǒng)測(cè)試

成功登錄小程序后，用戶可以查看上傳到云端的農(nóng)作物信息，點(diǎn)擊“溫濕度”將可查看農(nóng)作物所處的土壤溫濕度；點(diǎn)擊“光照值”即可獲取當(dāng)前的光照強(qiáng)度；點(diǎn)擊“CO2濃度”即可在頁(yè)面上查看到當(dāng)前農(nóng)作物所處環(huán)境的情況；用戶還可以切換攝像頭頁(yè)面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物，不用出門就可以及時(shí)了解到作物信息，極大地減少人力、物力、財(cái)力的損失，同時(shí)觀測(cè)到是否會(huì)有破壞農(nóng)作物的行為發(fā)生，以便更好地起到保護(hù)農(nóng)作物的作用。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的科學(xué)監(jiān)測(cè)，農(nóng)民在收到信息后，可通過數(shù)據(jù)中心下達(dá)操作指令，準(zhǔn)確進(jìn)行作業(yè)灌溉，減少水資源的浪費(fèi)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)管理向自動(dòng)化方向發(fā)展[2]。通過下發(fā)MCU 代碼指令“AT+NRB”，設(shè)備被激活；輸入“AT+NMGS”即開始上報(bào)數(shù)據(jù)，接著便有數(shù)據(jù)上傳成功的提示，在小程序上可以查看到相關(guān)信息。騰訊云小程序獲取到的信息如圖6、圖7所示。

圖6 小程序頁(yè)面顯示

圖7 數(shù)據(jù)顯示大屏圖

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)旨在研究一款幫助農(nóng)民百姓們解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植方式的弊端的系統(tǒng)，全面監(jiān)控農(nóng)作物的生長(zhǎng)信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的功能，保證農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)幫助種植者隨時(shí)了解農(nóng)作物的情況，種植者在室內(nèi)就能獲取溫室內(nèi)的信息數(shù)據(jù)，并借助無線數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，完成實(shí)時(shí)監(jiān)督任務(wù)，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供更加良好的環(huán)境，調(diào)整農(nóng)作物的生長(zhǎng)周期，以保障農(nóng)作物的成活率[3]。當(dāng)傳感器采集到數(shù)據(jù)，就會(huì)將信息上傳到云端，能夠?qū)崟r(shí)更新作物的生長(zhǎng)環(huán)境信息。傳感器采集溫濕度、CO2濃度、光照值等數(shù)據(jù)，用戶通過手機(jī)APP、服務(wù)器等登錄騰訊云小程序，不用出門就能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生產(chǎn)條件，極大地減少了人力、物力、財(cái)力的損失，擁有很大的發(fā)展前景。讓用戶實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物增產(chǎn)增收的愿望，響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，全面改善我國(guó)人民生活方式，提高其生活水平。